Nghiên cứu phát triển anten mảng vi dải có độ lợi cao mức búp phụ thấp luận án t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TĂNG THẾ TOAN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG VI DẢI CÓ ĐỘ LỢI CAO, MỨC BÚP PHỤ THẤP LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Hà Nội, 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TĂNG THẾ TOAN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG VI DẢI CÓ ĐỘ LỢI CAO, MỨC BÚP PHỤ THẤP Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9510302.02 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TRƢƠNG VŨ BẰNG GIANG Hà Nội, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày ….

Tác giả luận án Tăng Thế Toan i LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới Thầy giáo hướng dẫn PGS. Trương Vũ Bằng Giang vì những định hướng, góp ý quí báu trong suốt quá trình thực hiện luận án. Sự hiểu biết sâu rộng trong lĩnh vực anten, vô tuyến cùng phương pháp tư duy, kĩ năng sống và làm việc khoa học và sự tận tình của Thầy đã giúp tôi từng bước hoàn thành nghiên cứu này, định hướng cho tôi xây dựng một phong cách sống và làm việc hiệu quả hơn. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô giảng viên trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt các Thầy, Cô giảng viên Tổ Bộ môn Thông tin vô tuyến, Khoa Điện tử - Viễn thông đã nhiệt tình giảng dạy, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài luận án.

Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn ThS. Nguyễn Minh Trần vì những đóng góp tích cực trong nghiên cứu, thảo luận và hỗ trợ tôi trong quá trình mô phỏng, đo đạc thực nghiệm. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân trong gia đình cùng bạn bè đồng nghiệp đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tăng Thế Toan ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN.

ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU. vii DANH MỤC CÁC BẢNG.

ix DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH.xi MỞ ĐẦU. 1 Lí do chọn đề tài nghiên cứu. 1 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 1 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

3 Cấu trúc nội dung của luận án. 5 Phân tích và đánh giá những kết quả nghiên cứu đã có liên quan đến luận án 5 Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án. TỔNG QUAN VỀ ANTEN MẢNG VI DẢI. Tổng quan về anten mảng và các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính của anten mảng vi dải.

Mô hình anten mảng. Anten mảng tuyến tính. Anten mảng phẳng. Mạng tiếp điện của anten mảng.

Phƣơng pháp trọng số trong thiết kế anten mảng. Trọng số pha. Trọng số nhị thức. Trọng số Dolph-Chebyshev.

Các yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính bức xạ của anten mảng vi dải. Các phƣơng pháp giảm mức búp phụ cho anten mảng tuyến tính. Kết luận chƣơng 1. GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN LƢỠNG CỰC MẠCH IN HAI MẶT VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ ANTEN MẢNG VI DẢI.

Anten lƣỡng cực mạch in hai mặt. Cấu trúc và hoạt động. Băng thông và trở kháng bức xạ. Tiếp điện cho anten lưỡng cực mạch in hai mặt.

Giải pháp thiết kế anten lƣỡng cực mạch in hai mặt. Phương pháp luận và qui trình thiết kế anten lưỡng cực mạch in hai mặt. Áp dụng qui trình thiết kế anten lưỡng cực mạch in hai mặt. Giải pháp điều chỉnh tần số làm việc của anten lưỡng cực mạch in hai mặt.

Giải pháp mở rộng băng thông của anten lưỡng cực mạch in hai mặt. Anten mảng vi dải sử dụng phần tử anten lƣỡng cực mạch in hai mặt. Anten mảng vi dải tuyến tính phân bố biên độ giảm dần. Anten mảng phẳng sử dụng phần tử anten lưỡng cực hai mặt 55 2.

Kết luận chƣơng 2. CÁC GIẢI PHÁP PHÁT TRIỂN ANTEN MẢNG VI DẢI CÓ ĐỘ LỢI CAO VÀ MỨC BÚP PHỤ THẤP SỬ DỤNG TRỌNG SỐ CHEBYSHEV. Qui trình tổng quát thiết kế anten mảng. Anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev có mức búp phụ thấp.

Tính toán số lượng phần tử đơn. Thiết kế phần tử anten đơn. Thiết kế mạng tiếp điện song song. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.

Anten mảng vi dải tiếp điện nối tiếp Chebyshev có độ lợi cao và mức búp phụ thấp. Tính toán số lượng phần tử. Thiết kế phần tử anten đơn. Thiết kế mạng tiếp điện.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Kết luận chƣơng 3. 100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

104 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Mô tả tiếng Anh Mô tả tiếng Việt AF Array Factor Hệ số mảng BW Bandwidth Băng thông DEA Differential Evolution Algorithm Thuật toán tiến hóa vi phân DSPD Double Sided Printed Dipole Chấn tử mạch in hai mặt DRAs Dielectric Resonator Antennas Anten cộng hưởng điện môi GA Genetic Algorithms Thuật toán di truyền General Wireless Communications Dịch vụ truyền thông vô tuyến GWCS Services tổng hợp HPBW Half Power Beam Width Độ rộng búp sóng nửa công suất IES Inter-Element Spacing Khoảng cách các phần tử đơn Monolithic Microwave Integrated MMIC Khối mạch điện tích hợp cao tần Circuit NSI Nearfield Systems Inc Hệ thống đo trường gần PDAA Planar Dipole Array Antenna Anten mảng phẳng lưỡng cực PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in PSO Particle Swarm Optimization Phương pháp tối ưu bầy đàn SLL Side Lobe Level Mức búp phụ ULA Uniform Linear Array Mảng tuyến tính đồng nhất VSWR Voltage Standing Wave Ratio Hệ số sóng đứng điện áp WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ vô tuyến vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU TT Kí hiệu Đơn vị Mô tả Điện dung tương đương của đường truyền tiếp 1 CL (F) điện 2 E V/m Điện trường 3 H H/m Từ trường 4 h mm Chiều cao của tấm nền 5 hg mm Khoảng cách từ lưỡng cực phẳng đến mặt phẳng phản xạ 6 I A Dòng điện 7 k 1/m Hệ số sóng trong không gian tự do (k=2/) 8 L mm Chiều dài lưỡng cực vi dải 9 LL (H) Độ tự cảm tương đương của đường truyền tiếp điện 10 RL (Ω) Trở kháng đặc trưng tương đương của mặt phẳng bức xạ anten DSPD 11 Rs (Ω) Trở kháng đặc trưng tương đương của đường truyền tiếp điện 12 W mm Chiều rộng lưỡng cực vi dải 13 ui -- Trọng số biên độ 14 V V Điện áp 15 wi -- Trọng số mảng 16 r -- Hằng số điện môi 17 eff -- Hằng số điện môi hiệu dụng  0 () Góc ngẩng 18 19  0 () Góc phương vị vii 20  0 () Độ lệch pha 21 0 m Bước sóng trong không gian tự do () 22 g m Bước sóng trong môi trường 23  1/m Hệ số truyền sóng trong môi trường (=2/g) 24  -- 3.1415926535897932385 25  0 () Pha ban đầu 26 Zc (Ω) Trở kháng đặc trưng đường truyền viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Trọng số biên độ của mảng tuyến tính 8×1 (SLL = -25 dB).1: Tỉ lệ phần trăm rút ngắn chiều dài lưỡng cực.2: Thông số thiết kế một số DSPD.3: Thông số băng thông, độ lợi của mẫu anten DSPD.4: So sánh băng thông các mẫu anten DSPD.5: Trọng số nhị thức mảng 10×1 phần tử.6: Phân bố biên độ giảm dần củao mảng 10×1 phần tử.7: Thông số thiết kế mạng tiếp điện.8: Kết quả mô phỏng các tham số S của hệ thống tiếp điện.9: So sánh phân bố biên độ giữa lí thuyết và mô phỏng.10: Thông số thiết kế anten mảng vi dải 10×1 phần tử.11: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo.12: Thông số thiết kế anten DSPD.13: Thông số thiết kế mảng (đơn vị: mm).14: Tổng hợp kết quả đo đạc và mô phỏng.1: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện song song Chebyshev 65 Bảng 3.2: Thông số thiết kế anten DSPD (đơn vị: mm).3: Trọng số biên độ Chebyshev cho mảng 8×1 (SLL = -30 dB).4: Thông số của mạng tiếp điện Chebyshev 8×1 (SLL = -30 dB).5: Tổng hợp kết quả mô phỏng tham số S tại tần số 4,95 GHz.6: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo.7: Yêu cầu thiết kế anten mảng vi dải tiếp điện nối tiếp Chebyshev 79 Bảng 3.8: Thông số thiết kế phần tử anten DSPD.9: Phân bố biên độ Chebyshev cho mảng 10×1 (SLL = -30 dB).10: Trở kháng đặc trưng của mảng Chebyshev 10×1 (SLL = -30 dB) 85 Bảng 3.11: Tổng hợp thông số thiết kế mạng tiếp điện 10×1 phân bố Chebyshev.12: So sánh phân bố biên độ giữa lí thuyết và mô phỏng.13: So sánh mẫu anten đề xuất với tài liệu tham khảo.98 x DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Trang Hình 1. Cấu trúc anten mảng điển hình. Mảng tuyến tính N phần tử. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng ULA (N=10, d= 0,75).

Cấu trúc mảng phẳng chữ nhật. Mạng tiếp điện song song. Đường truyền vi dải chuyển đổi trở kháng phần tư bước sóng. Bộ chia công suất vi dải hai đường.

Bộ chia công suất vi dải hai đường với bộ chuyển đổi phần tư bước sóng. Mạng tiếp điện song song với bộ chia công suất hình T. Mạng tiếp điện nối tiếp. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của ULA (N=10, d=/2, d=0 , 30 , 45 ) 25 Hình 1.

Đồ thị bức xạ chuẩn hóa của mảng đồng nhất và mảng nhị thức (N=10, d=0,75). Đồ thị một số bậc đầu tiên của đa thức Chebyshev. Đồ thị bức xạ chuẩn hóa mảng Chebyshev 8×1 (SLL= -25dB, d=0,75). Anten lưỡng cực dạng dải quạt và đường truyền song song.

Anten DSPD cơ bản tiếp điện bằng đường truyền song song. Lưỡng cực phẳng tiếp điện trung tâm và lưỡng cực hình trụ tương đương. Đường truyền vi dải. Cấu trúc anten lưỡng cực phẳng tiếp điện trung tâm.

Mô hình đường truyền vi dải và đường truyền song song. Cấu trúc hình học DSPD và anten hình trụ tương đương. Lưu đồ thiết kế anten DSPD. Mô hình anten DSPD đề xuất.

Mô phỏng các mẫu anten DSPD. Cấu trúc mẫu anten DSPD đề xuất. Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng và băng thông với kích thước a 44 Hình 2. Mô hình DSDP cắt vát cạnh bức xạ.

Sự phụ thuộc băng thông và tần số vào kích thước cắt cạnh mặt. 46 bức xạ với c 0,09g Hình 2. Mô phỏng hệ số suy hao phản hồi của anten DSPD với c ≥0,1g46 Hình 2.